(57)【要約】【課題】サンプルを交換するなどの理由により再実験を行う場合に、超電導コイルなどの再冷却過程を経なくてもよい超電導マグネットを提供することを目的とする。【解決手段】超電導マグネット１０は、中央部を貫通する貫通ボア１を有した真空容器２と、真空容器２の内部に設けられ、外部と連通する開口部を有した液体窒素槽３と、液体窒素槽３の内部に設けられた液体ヘリウム槽４と、液体ヘリウム槽４の内部に設けられた超電導コイル５と、真空容器２を貫通するとともに、先端部が貫通ボア１に熱的に接している冷凍機６、７とを備えている。貫通ボア１は、ステンレス鋼、チタン、又はチタン合金などの電気抵抗値が高い材料からなる筒状部材１ａと、筒状部材１ａの外周に熱的に接するように配設され、銅（無酸素銅を含む）、銅合金、又はアルミなどの熱伝導性の高い材料からなる外層部材１ｂとを有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイルと、前記超電導コイル内を貫通するように配設され、内部が真空の貫通ボアとを備えている超電導マグネットであって、
前記貫通ボアと熱的に接している冷凍機を１つ以上備えていることを特徴とする超電導マグネット。
【請求項２】
前記貫通ボアが、筒状部材と、前記筒状部材の外周に熱的に接するように配設されている、銅、銅合金、又はアルミからなる外層部材とを有しているものであり、
前記外層部材と前記冷凍機とが熱的に接していることを特徴とする請求項１記載の超電導マグネット。
【請求項３】
前記筒状部材が、ステンレス鋼、チタン、又はチタン合金からなることを特徴とする請求項２記載の超電導マグネット。
【請求項４】
前記外層部材が、前記貫通ボアの外周に接する内壁を有した筒状の部材であり、
前記外層部材の一端から他端にかけて、１以上の切り込み部があることを特徴とする請求項２又は３に記載の超電導マグネット。
【請求項５】
前記貫通ボアの端部における前記筒状部材及び前記外層部材が嵌入固定される穴を有した板部材が設けられており、
前記板部材が、銅、銅合金、又はアルミからなるものであり、
前記冷凍機が、前記板部材を介して前記貫通ボアと熱的に接していることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の超電導マグネット。
【請求項６】
前記板部材が、前記超電導コイルの軸方向外部に配設されていることを特徴とする請求項５に記載の超電導マグネット。
【請求項７】
前記筒状部材と前記外層部材とが、ろう付けによって接合されていることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の超電導マグネット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導コイルと、前記超電導コイル内を貫通するように配設され、内部が真空の貫通ボアとを備えている超電導マグネットに関するものであり、特に、高磁場物性測定用、ＮＭＲ用、ＭＲＩ用、シリコン単結晶引上用として好適な超電導マグネットに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁場中において色々な実験を行うために、例えば、下記特許文献１、２に示される常温ボアを有した超電導マグネットを用いて磁場印加を行うことがある。
【０００３】
【特許文献１】特開平３−２３８４０号公報
【特許文献２】特開平７−２２２３１号公報
【０００４】
さらに、磁場中の色々な実験においては、磁場印加とともに、低温環境での実施が必要なものがある。特に、単なる低温のみならず、真空環境も併せて必要な場合には、超電導マグネット内を貫通するボア内をマグネット槽とは独立した真空槽として形成することもある。これらのような特殊な条件が必要である場合、液体ヘリウムを用いる超電導マグネットでは、真空かつ低温環境の貫通ボアを形成することも可能である。図４には、このような従来技術による低温ボアを持つ超電導マグネット１００の概略断面図を示す。この超電導マグネット１００は、中央部を貫通する貫通ボア１０１を有した真空容器１０２と、真空容器１０２の内部に設けられ、外部と連通する開口部を有した液体窒素槽１０３（輻射シールド１０３ともいう）と、液体窒素槽１０３の内部に設けられた液体ヘリウム槽１０４と、液体ヘリウム槽１０４の内部に設けられた超電導コイル１０５とを備えている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の超電導マグネット１００では、定期的な液体ヘリウムの補充が必要になることは以前から公知である。また、超電導マグネット１００が冷却状態である場合、貫通ボア１０１を大気開放すると、酸素や窒素を凝着してしまうため、貫通ボア１０１は常に真空を保持しなければならない。したがって、貫通ボア１０１内に設置するサンプルを交換する場合、超電導マグネット１００を含めた全ての系の温度を室温まで上げなければならない。これは、再実験を行う場合に、超電導コイル１０５などの再冷却過程を経なければならないことになり、時間的に非常にロスが大きい。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、サンプルを交換するなどの理由により再実験を行う場合に、超電導コイルなどの再冷却過程を経なくてもよい超電導マグネットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段及び効果】
【０００７】
本発明において、以下の特徴は単独で、若しくは、適宜組合わされて備えられている。前記課題を解決するための本発明の超電導マグネットは、超電導コイルと、前記超電導コイル内を貫通するように配設され、内部が真空の貫通ボアとを備えている超電導マグネットであって、前記貫通ボアと熱的に接している冷凍機を１つ以上備えているものである。
【０００８】
上記構成によれば、冷凍機によって、貫通ボアを超電導マグネットとは別に冷却することができるので、サンプルを交換するなどの理由により再実験を行う場合に、超電導コイルなどの再冷却過程を経なくてもよい超電導マグネットを提供できる。すなわち、超電導マグネットが冷却状態を維持しているときであっても、貫通ボアは任意に室温に昇温したり、極低温に冷却したりすることが可能である。
【０００９】
また、別の観点として、本発明の超電導マグネットにおいては、前記貫通ボアが、筒状部材と、前記筒状部材の外周に熱的に接するように配設されている、銅（無酸素銅を含む）、銅合金、又はアルミからなる外層部材とを有しているものであり、前記外層部材と前記冷凍機とが熱的に接しているものであってもよい。
【００１０】
上記構成によれば、貫通ボアにおける筒状部材の熱を、熱伝導率の高い外層部材を介して冷凍機へ伝導しやすくできる。その結果として、貫通ボアの冷却を容易にすることができる。
【００１１】
また、本発明の超電導マグネットにおいては、前記筒状部材が、ステンレス鋼、チタン、又はチタン合金からなることが好ましい。
【００１２】
上記構成によれば、超電導マグネットにおいて不測のクエンチが発生した際、急激な磁場変化によって貫通ボアに流れる誘導電流を、抑制することができる。その結果として、誘導電流によって発生する応力を低減できるので、外層部材に変形しやすい材料を用いている場合でも、外層部材が変形することを抑制できる。つまり、貫通ボアが変形することを抑制できる。
【００１３】
また、本発明の超電導マグネットにおいては、前記外層部材が、前記貫通ボアの外周に接する内壁を有した筒状の部材であり、前記外層部材の一端から他端にかけて、１以上の切り込み部があることが好ましい。
【００１４】
上記構成によれば、超電導マグネットにおいて不測のクエンチが発生した際、急激な磁場変化によって貫通ボアの外層部材に流れる誘導電流を、さらに抑制することができる。その結果として、誘導電流によって発生する応力を低減できるので、外層部材に変形しやすい材料を用いている場合でも、外層部材が変形することをさらに抑制できる。つまり、貫通ボアが変形することをさらに抑制できる。
【００１５】
また、本発明の超電導マグネットにおいては、前記貫通ボアの端部における前記筒状部材及び前記外層部材が嵌入固定される穴を有した板部材が設けられており、前記板部材が、銅（無酸素銅を含む）、銅合金、又はアルミからなるものであり、前記冷凍機が、前記板部材を介して前記貫通ボアと熱的に接していることが好ましい。
【００１６】
上記構成によれば、簡易な構成で、冷凍機と貫通ボアとを確実に熱的接触させることができ、貫通ボアの効率的な冷却を行うことができる。
【００１７】
また、本発明の超電導マグネットにおいては、前記板部材が、前記超電導コイルの軸方向外部に配設されていることが好ましい。
【００１８】
上記構成によれば、超電導コイルの影響を受けにくいので、板部材が変形することがなく、冷凍機との熱的接触を保持し続けることができる。
【００１９】
また、本発明の超電導マグネットにおいては、前記筒状部材と前記外層部材とが、ろう付けによって接合されていることが好ましい。ろう付けによると、筒状部材と外層部材との間において十分な接合強度を有するので、貫通ボアに流れる誘導電流によって発生する応力に十分耐えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る超電導マグネットの実施形態について、図面を用いながら説明する。
【００２１】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る超電導マグネットの概略断面図である。図１に示した超電導マグネット１０は、中央部を貫通する貫通ボア１を有した真空容器２と、真空容器２の内部に設けられ、外部と連通する開口部を有した液体窒素槽３（輻射シールド３ともいう）と、液体窒素槽３の内部に設けられた液体ヘリウム槽４と、液体ヘリウム槽４の内部に設けられた超電導コイル５と、真空容器２を貫通するとともに、先端部が貫通ボア１に熱的に接している冷凍機６、７とを備えている。ここで、貫通ボア１、真空容器２、液体窒素槽３、液体ヘリウム槽４、超電導コイル５は、それぞれ同心状に配設されている。
【００２２】
貫通ボア１は、ステンレス鋼、チタン、又はチタン合金などの電気抵抗値が高い材料からなる筒状部材１ａと、筒状部材１ａの外周に熱的に接するように配設され、銅（無酸素銅を含む）、銅合金、又はアルミ（アルミニウム合金を含む）などの熱伝導性の高い材料からなる外層部材１ｂとを有している。筒状部材１ａは、真空境界を形成する必要があるため、真空にも耐えることができる強度を有するように形成されている。また、筒状部材１ａと外層部材１ｂとは、ハンダ付け又はろう付けで接合されている。なお、ろう付けによると、筒状部材１ａと外層部材１ｂとの間において十分な接合強度を有するので、貫通ボア１に流れる誘導電流によって発生する応力に十分耐えることができる。したがって、筒状部材１ａと外層部材１ｂとは、ろう付けで接合されていることが好ましい。ここでのろう付けに用いる合金としては、りん銅ろう、黄銅ろう、アルミろうなどが挙げられる。
【００２３】
真空容器２は、内部が密閉空間となるように、略２重筒構造の両端に蓋部が設けられており、液体窒素槽３とともに密閉構造を形成している。液体窒素槽３には、液体窒素を供給するための開口部３ａが設けられている。
【００２４】
なお、超電導マグネット１０の運転の際、液体窒素槽３及び液体ヘリウム槽４の内部にはそれぞれ、液体窒素、液体ヘリウムが注入されており、超電導コイル５が超電導状態となるように冷却されている。
【００２５】
冷凍機６、７は、熱伝導性の高い貫通ボア１の外層部材１ｂに熱的に接しており、貫通ボア１全体を容易に冷却することができる。
【００２６】
本実施形態によれば、冷凍機６、７によって、貫通ボアを超電導マグネットとは別に冷却することができるので、サンプルを交換するなどの理由により再実験を行う場合に、超電導コイル５などの再冷却過程を経なくてもよい超電導マグネット１０を提供できる。すなわち、超電導マグネット１００が冷却状態を維持しているときであっても、貫通ボア１は任意に室温に昇温したり、極低温に冷却したりすることが可能である。
【００２７】
また、貫通ボア１における筒状部材１ａの熱を、熱伝導率の高い外層部材１ｂを介して冷凍機６、７へ伝導しやすくできる。その結果として、貫通ボア１の冷却を容易にすることができる。
【００２８】
また、筒状部材１ａが、ステンレス鋼、チタン、又はチタン合金などの電気抵抗値が高い材料からなるものであるので、超電導マグネット１０において不測のクエンチが発生した際、急激な磁場変化によって貫通ボア１に流れる誘導電流を、抑制することができる。その結果として、誘導電流によって発生する応力を低減できるので、外層部材１ｂに変形しやすい材料を用いている場合でも、外層部材１ｂが変形することを抑制できる。つまり、貫通ボア１が変形することを抑制できる。
【００２９】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る超電導マグネットについて説明する。図２は、（ａ）が、本発明の第２実施形態に係る超電導マグネットにおける貫通ボアと冷凍機とを示す正面図であって、一部が断面図になっているもの、（ｂ）が、（ａ）の貫通ボアを軸方向一端側から見た場合の状態を示す図である。
【００３０】
本実施形態に係る超電導マグネットは、（１）貫通ボア１１の外層部材１１ｂが軸方向に沿って４分割されている（切り込み部が４つある）点、（２）貫通ボア１１の一端部における筒状部材１１ａ及び外層部材１１ｂが嵌入固定されている穴を有した板部材１８と、貫通ボア１１の他端部における筒状部材１１ａ及び外層部材１１ｂが嵌入固定されている穴を有した板部材１９とが設けられている点（図２（ｂ）参照）、（３）冷凍機１６、１７がそれぞれ、板部材１８、１９を介して貫通ボア１１に熱的に接している点で、第１実施形態と異なっている。なお、板部材１８、１９は、銅（無酸素銅を含む）、銅合金、又はアルミ（アルミニウム合金を含む）などの熱伝導性の高い材料からなり、超電導コイル（図示せず）の軸方向外部に配設されている。その他の点においては、同様の構成であるので、説明を省略する。
【００３１】
本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、外層部材１１ｂが軸方向に沿って４分割されている（切り込み部が４つある）ので、超電導マグネットにおいて不測のクエンチが発生した際、急激な磁場変化によって貫通ボアの外層部材１１ｂに流れる誘導電流を、さらに抑制することができる。その結果として、外層部材に変形しやすい材料を用いている場合でも、外層部材が変形することをさらに抑制できる。つまり、貫通ボアが変形することをさらに抑制できる。
【００３２】
また、銅（無酸素銅を含む）、銅合金、又はアルミ（アルミニウム合金を含む）などの熱伝導性の高い材料からなる板部材１８、１９を用いて、冷凍機１６、１７と貫通ボア１１とを確実に熱的接触させることができ、貫通ボア１１の効率的な冷却を行うことができる。
【００３３】
また、銅（無酸素銅を含む）、銅合金、又はアルミ（アルミニウム合金を含む）などの熱伝導性の高い材料は、誘導電流によって発生する応力への耐性は低い。しかしながら、板部材１８、１９は、超電導コイル（図示せず）の軸方向外部に配設されており、該超電導コイルの影響を受けにくいので、板部材が変形することがなく、冷凍機１６、１７との熱的接触を保持し続けることができる。
【００３４】
ここで、外層部材１１ｂの一変形例として、筒状部材２１ａと外層部材２１ｂとを有した貫通ボア２１（図３の断面図参照）のように、軸方向に沿って一端から他端にかけて、１つの切り込みがあるものであってもよい。上述した４分割している外層部材１１ｂに比べてやや劣るものの、誘導電流の低減効果を奏する。また、これらに限られず、外層部材を軸方向に沿って一端から他端にかけて、２分割、３分割、又は５分割以上したものを用いてもよい。
【００３５】
また、本実施形態においては、貫通ボア１１の両端にそれぞれ、冷凍機１６及び板部材１８、冷凍機１７及び板部材１９を設けたが、一変形例として、どちらか一方に設けるだけでもよい。
【実施例】
【００３６】
次に、実施例を用いて本発明を説明する。
【００３７】
（実施例１）
上記第２実施形態と同様の構成の超伝導マグネットを想定し、貫通ボアの熱伝導についてシミュレーションを行った。具体的には以下の通りである。
【００３８】
貫通ボアの到達温度は、銅製の外層部材の熱伝導のみによることに変化は無いが、貫通ボア内部に挿入されるサンプルに熱負荷を伴うときは、間にはステンレス鋼製の筒状部材が介在することになるため、ここに熱抵抗が生じる。その値は、サンプルと筒状部材内壁との接触面積に依存するが、例として、接触面積をＳ（０．０５ｃｍ幅×４０ｃｍ長×５０本）、筒状部材肉厚をｔ（０．３ｃｍ）、筒状部材の熱伝導率λ（０．００３Ｗ／ｃｍ・Ｋ）とすれば、熱抵抗は、１Ｋ／Ｗとなる。実際には、筒状部材断面内での等温線は二次元分布になるので、熱抵抗は上記の１／２倍程度が見込めるから、０．５ｋＷとすると、予想される最大熱負荷１．５Ｗが印加された場合、筒状部材壁が介在することによって増加する温度差増分は０．７５Ｋとなる。したがって、この例では、銅のみで貫通ボアを構成した場合の冷却温度を無負荷時３．５Ｋ、１．５Ｗ負荷時４．４Ｋとすれば、ステンレス鋼製の筒状部材を介在させることで、無負荷時〜３．５Ｋ（変化なし）、１．５Ｗ負荷時４．５Ｋとなり、大きな差は生じない。なお、以上の試算では、接合に用いるろう材（０．１ｍｍ厚：筒状部材厚の３．３％）は無視している。
【００３９】
（実施例２）
上記第２実施形態と同様の構成の超伝導マグネットについて、クエンチの前後で貫通ボアを構成する筒状部材と外層部材とを接合しているろう付け部分にどの程度の応力が負荷されるかシミュレーションを行った。具体的には以下の通りである。
【００４０】
ここでは、筒状部材と外層部材とを真空ろう付けによって接合することとする。なお、実際にテストピースを作製して、これを室温から７７Ｋへの急冷した場合のサーマルショックに対する接合強度を調べたところ、ステンレス鋼製の筒状部材と銅製の外層部材との熱歪差に耐え得るものであることが判っている（全長１２００ｍｍのテストピースの場合）。ちなみに、室温から４Ｋまで冷却した場合の銅およびステンレス鋼の熱収縮率は、夫々０．３３７％、０．３１０％なので、両者の差は０．０２７％である（銅が多く縮む）。接合部分の全長１２００ｍｍとすれば、盃の絶対量は０．３２４ｍｍとなり、熱応力は５ＭＰａになる。また、作用する絶対力は約３．２＋ｅ４Ｎであり、接合面の平均せん断応力は０．０５ＭＰａである。接合部分の全長の１％にせん断力が集中したと仮定しても、その応力値は５ＭＰａであり、ろう材であれば充分な強度があると考えられる。
【００４１】
（実施例３）
上記第２実施形態と同様の構成の超伝導マグネットを想定し、貫通ボアにどの程度の応力が負荷されるかシミュレーションを行った。具体的には以下の通りである。
【００４２】
筒状部材（ステンレス鋼製）の厚さを３ｍｍ、外層部材（銅製）の厚さを１２ｍｍとし、外層部材の分割幅（切り込みの幅）を４ｍｍとする。４Ｋにおける両者の周長方向単位幅（１ｃｍ）の抵抗は、外層部材で８ｅ−１０Ω、筒状部材で９ｅ−６Ωとなる。故に、合成抵抗は〜９ｅ−６Ωとできる。銅のみで構成された貫通ボアで推定される誘導電流は、２８０００Ａ／ｃｍ２であるので、抵抗比を考慮すると、ステンレス鋼製の筒状部材を介在させることで、２．５Ａ／ｃｍ２にまで減少する。これより、周方向応力は、銅のみで構成された貫通ボアでは１１０ＭＰａであるが、ステンレス鋼製の筒状部材を介在させる本実施例では０．０１ＭＰａとなる。つまり、応力は限りなく無視できることになる。さて、周方向に４分割されている外層部材においても、クエンチしたときにそれぞれの分割した銅部材にながれる過電流には、１）基本モードは周方向、２）各銅部材を磁束が貫通するときの銅部材自身内で流れる誘導電流、が考えられる。これらの電流は相互に電磁誘導で結合する。たとえ、周方向の誘導電流が抑制されたとしても、各銅部材には２）による電磁力がかかり、非軸対称の力が発生してそれがステンレス鋼製の筒状部材に働くことがある。本実施例のような、短冊状とした銅部材の断面内にも誘導による電流ループが発生することは、銅部材断面に直行する磁束変化に対してその磁束周囲に電流が誘導され、断面全体ではこれらは結合してひとつのループを形成するためである。これによって貫通ボアには、軸方向応力が発生する（マグネット赤道面＝中心に向かう力）。銅部材のみで円筒形状を成した場合、この値は２８ＭＰａ程度と推定される。銅部材は、ろう付けによってアニールされた状態なので、許容応力は数ＭＰａ程度まで低下している可能性があり、２８ＭＰａでも充分変形する。しかし、本実施例のように、筒状部材（ステンレス鋼製）に外層部材（銅製）を接合する場合、筒状部材が強度部材として作用することを期待できる。２８ＭＰａが、筒状部材断面のみに作用した場合の応力は、銅とステンレスとの断面積比から１１０ＭＰａとなり、ステンレスの許容応力よりも充分小さい値に収まる。
【００４３】
（比較例１）
無酸素銅（アニール有）で形成された貫通ボアを採用した超電導マグネットについて、クエンチの前後で貫通ボアにどの程度の応力が負荷されるかシミュレーションを行った。具体的には以下の通りである。
【００４４】
超電導マグネットの発生磁場が５Ｔであった場合、クエンチにより超高真空ボア（貫通ボア）に電流が誘導され、超電導マグネットによる磁場との相互作用により、超高真空ボア径方向にはフープカが、軸方向には圧縮力（部分的）が生じ、超高真空ボア材料である無酸素銅（アニール有り）に塑性変形を生じる。アニールされた無酸素銅材、低温という電気抵抗を極めて小さくする要因が重なったとき、誘導電流の増大化を招く。誘導状況を試算すると、誘導電流密度最大約２８０Ａ／ｍｍ２、フープカ最大約１１０ＭＰａ、軸方向圧縮力最大約２８ＭＰａ、上記誘導はクエンチにより定格電流が１秒間で消失すると仮定した場合のものである。アニール後の無酸素銅材の耐力は約４４ＭＰａであるから、クエンチを発生すれば、無酸素銅材製の貫通ボアは容易に塑性変形する。
【００４５】
ここで、実際に実験してみたところ、銅のみで構成した貫通ボアでは、長手方向に収縮する変形（７回のクエンチを経て全長に対して合計１．１％収縮）を生じた。
【００４６】
実施例１〜３及び比較例１の結果から、明らかに、本発明が第２実施形態の効果を奏することがわかる。
【００４７】
なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、一変形例として、上記各実施形態において、冷凍機を増設する又は冷却性能の高い冷凍機を使用するとともに、外層部材を有した貫通ボアの代わりに、ステンレス鋼製のみで構成された貫通ボアを用いて、このステンレス鋼製の貫通ボアを全ての冷凍機で冷却するようにしてもよい。これにより、銅に比べ、熱伝導性に劣るステンレス鋼製の貫通ボアであっても、十分に冷却できるとともに、書く実施形態と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る超電導マグネットの概略断面図である。
【図２】（ａ）が、本発明の第２実施形態に係る超電導マグネットにおける貫通ボアと冷凍機とを示す正面図であって、一部が断面図になっているもの、（ｂ）が、（ａ）の貫通ボアを軸方向一端側から見た場合の状態を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る超電導マグネットにおける貫通ボアの一変形例を示す断面図である。
【図４】従来の超電導マグネットの概略断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１    貫通ボア
１ａ、１１ａ、２１ａ    筒状部材
１ｂ、１１ｂ、２１ｂ    外層部材
２、１０２    真空容器
３、１０３    液体窒素槽
３ａ    開口部
４、１０４    液体ヘリウム槽
５、１０５    超電導コイル
６、７、１６、１７    冷凍機
１０、１００    超電導マグネット
１１、２１、１０１    貫通ボア
１８、１９    板部材
【図１】
2010219188.tif 000003
【図２】
2010219188.tif 000004
【図３】
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【図４】
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